PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005052714A1 08.02.2007
Titel Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Döllgast, Bernd, 91054 Erlangen, DE;
Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 04.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005052714
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20051104, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/083(2006.01)A, L, I, 20051104, B, H, DE   H02N 2/04(2006.01)A, L, I, 20051104, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung desselben mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines piezo-elektrisch aktiven Bereiches, welcher bei einer Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors eine Querkontraktion erfährt; Vorsehen jeweils eines piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches an einer zugeordneten axialen Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches und Ausbilden des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches mit einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches angepassten Querkontraktion zum Minimieren des Unterschiedes zwischen der Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches und der Querkontraktion des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise in monolithischer Vielschicht-Bauweise, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Obwohl auf beliebige Piezoaktoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen in monolithischer Vielschicht-Bauweise ausgestalteten Piezoaktor näher erläutert.

Ein derartiger Piezoaktor besteht im Allgemeinen aus mehreren Piezo-Keramikplatten. Eine Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des piezo-elektrischen Effektes beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche Piezokeramiken bilden die Basis für die Piezoaktoren, die beim Anlegen einer Spannung einen Verfahrweg von einigen Mikrometern realisieren. Die Piezokeramik weist elektrische Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In einem unpolarisierten Grundzustand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen der einzelnen Weiss'schen Bezirke ungeordnet, so dass nach außen hin keine makroskopische elektrische Polarisierung der Piezokeramik vorliegt.

Um den piezo-elektrischen Effekt für Piezoaktoren nutzbar zu machen, muss die Piezokeramik durch das Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur wenig von einer durch die Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung abweichen. Die Piezokeramiken werden beispielsweise als Grundkörper von Piezoaktoren eingesetzt, welche unter anderem Verwendung im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise in Common-Rail-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen als elektromagnetische Wandler, finden.

Die einzelnen oben beschriebenen Piezokeramiken sind beiderseits mit metallischen Elektroden versehen. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, so reagiert die Piezokeramik mit einer Gitterverzerrung, die entlang der Hauptachse zu der oben bereits erläuterten nutzbaren Längenausdehnung führt. Da diese allerdings weniger als 2 promille der Schichtdicke entlang der Hauptachse beträgt, muss zur Erzielung einer gewünschten absoluten Längenausdehnung eine entsprechend höhere Schichtdicke aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke der einzelnen Piezokeramik-Schichten innerhalb eines Piezoaktors steigt jedoch auch die zum Ansprechen des Piezoaktors erforderliche Spannung. Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von Piezo-einzelnen Schichten bei Vielschicht-Aktoren üblicherweise zwischen 20 und 200 &mgr;m. Ein Piezoaktor muss daher beispielsweise für eine gewünschte Längenausdehnung eine entsprechende Anzahl an Einzelelementen bzw. -schichten aufweisen.

Es ist der Anmelderin bekannt, zur Herstellung von Piezoaktoren beispielsweise Piezokeramik-Grünfolien alternierend mit Elektrodenmaterial in einem Stapel anzuordnen und gemeinsam zu sintern. Dadurch entsteht ein ausreichend fester Verbund der Einzelschichten in dem Piezoaktor. Die in dem Vielschicht-Aktor integrierten Arbeitselektroden werden für eine wechselseitige elektrische Kontaktierung alternierend an die Oberfläche beispielsweise der sich gegenüberliegenden Seiten des Aktors geführt und dort jeweils durch eine Außenelektrode elektrisch parallel geschaltet. Zur elektrischen Isolierung bestehen die Endbereiche, d.h. der Kopfbereich und der Fußbereich, aus piezo-elektrisch inaktiven bzw. elektrodenfreien Lagen aus Piezokeramik.

Bei einem Piezoaktor kommt es aufgrund unterschiedlichem Verhalten des aktiven Bereiches und des inaktiven Endbereiches zu unerwünschten mechanischen Spannungen zwischen denselben. Dies ist durch mehrere Umstände bedingt. Durch die Anordnung der metallischen Arbeitselektroden und der Lagen des piezokeramischen Werkstoffs wird einerseits die Materialschwindung des piezokeramischen Werkstoffs, insbesondere im passiven Kopf- und Fußbereich, während des Sinterprozesses beeinflusst. Schwindungsdifferenzen zwischen elektrodennahen und elektrodenfernen Bereichen führen zu unerwünschten, nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen im keramischen Werkstoff, die entweder schon während des Sinterprozesses zu unerwünschten Längsrissen führen oder im fertigen Bauteil festigkeitsmindern wirken.

Ein weiterer wesentlicher Grund für das Auftreten unerwünschter mechanischer Spannungen besteht darin, dass bei einer Polarisierung des aktiven Bereiches des Piezoaktors eine remanente Polarisation auch bei nicht anliegendem elektrischem Feld derart auftritt, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich sich beispielsweise in der Ebene der Elektroden zusammenzieht, wohingegen der inaktive Kopfbereich und der inaktive Fußbereich keinerlei Abmessungsänderungen erfahren, da keine Polarisierung vorgenommen wurde und somit keine remanente Polarisation existiert. Aufgrund der durch die remanente Polarisation bedingten Längenänderung des piezo-elektrisch aktiven Bereiches entsteht ein Ausdehnungsunterschied zwischen dem aktiven und dem inaktiven Endbereich. Dieser Ausdehnungsunterschied führt zu unerwünschten Mechanischen Spannungen zwischen diesen beiden Bereichen.

Diese unerwünschten, nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen können zu unerwünschten Rissen führen, welche senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch den Piezoaktor hindurch verlaufen können, d.h. derartige Risse können senkrecht in den aktiven Bereich als so genannte Längsrisse hineinwachsen. Dabei werden die Arbeitselektroden eventuell durchtrennt und Spalten zwischen den Arbeitselektroden unterschiedlichen Potentials geschaffen. An diesen Stellen kann es zu elektrischen Überschlägen kommen, welche im Weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren. Somit führen unterschiedliche Dehnungsverhalten des aktiven und des passiven Bereiches während einer Polarisierung insbesondere an der Grenze zwischen beiden Bereichen zu mechanischen Spannungen, die die Bildung von nicht definierten, unerwünschten Längsrissen begünstigen.

Um derartige Rissbildungen aufgrund auftretender mechanischer Spannungen zu vermeiden, können beispielsweise die Betriebsgrenzen beim piezo-elektrischen Betrieb des Piezoaktors derart gewählt werden, dass die entstehenden mechanischen Spannungen zu gering für die Bildung von Längsrissen sind.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass für sehr viele Anwendungen ein großer Verstellweg des Piezoaktors erwünscht ist, so dass dieser meist in seinen Betriebsgrenzen angesteuert werden muss.

Ferner existieren verschiedene Lösungen, die mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereichen zu verringern. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 02 574 A1 ist es bekannt, zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Kopfbereich bzw. Fußbereich einen zusätzlichen Übergangsbereich zu integrieren, dessen Schwindung während der Herstellung und dessen Bedienungsverhalten während des Betriebes zwischen der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten des aktiven und der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten der inaktiven Bereiche liegt.

An diesen Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass eine Herstellung eines derartigen zusätzlichen Übergangsbereiches aufwändig und mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist und dass mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Dehnungsverhalten der beiden Bereiche beim piezo-elektrischen Betrieb nicht verringert werden können.

Die Druckschrift DE 102 15 992 A1 beschreibt einen Piezoaktor, dessen inaktive Bereiche jeweils eine nicht ansteuerbare Blindelektrodenschicht aufweisen. Die zusätzlichen Elektrodenschichten in piezo-elektrisch inaktiven Bereichen sollen für ein gleiches Schwindungsverhalten wie bei dem piezo-elektrisch aktiven Bereich sorgen.

An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die zusätzlichen Blindelektrodenschichten lediglich mittels eines zusätzlichen Herstellungsschrittes vorgesehen werden können, und dass wiederum mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Dehnungsverhalten der beiden Bereiche beim piezo-elektrischen Betrieb nicht verringert werden können.

Ferner besteht bei obigen Ansätzen nach wie vor die Möglichkeit einer Bildung von unerwünschten Längsrissen aufgrund auftretender, undefinierter mechanischer Spannungen zwischen den aktiven und den inaktiven Bereichen, bedingt durch remanente Ausdehnungsunterschiede.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor und ein Herstellungsverfahren für denselben anzugeben, bei welchem längsrissbildende, unerwünschte mechanische Spannungen zwischen dem piezo-elektrisch aktiven und den piezo-elektrisch inaktiven Bereichen aufgrund von Ausdehnungsunterschieden verringert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass der Piezoaktor mit einem piezo-elektrisch aktiven Bereich, welcher bei einer Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors eine Querkontraktion erfährt, und mit jeweils einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich an einer zugeordneten axialen Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches ausgebildet wird, wobei der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich mit einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches angepassten Querkontraktion zum Minimieren des Unterschiedes zwischen der Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches und der Querkontraktion des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches ausgebildet wird.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass bei einer Polarisation des aktiven Bereiches bzw. bei einer elektrischen Ansteuerung desselben der Kontraktionsunterschied in Querrichtung zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereich verringert bzw. eliminiert wird, da auch der piezo-elektrisch inaktive Endbereich eine entsprechende Querkontraktion erfährt. Durch eine Annäherung der Kontraktions- bzw. Ausdehnungsbeträge der beiden aneinander angrenzenden Bereiche können mechanische Spannungen zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen Endbereich verringert bzw. minimiert werden. Die eventuell noch verbleibenden mechanischen Spannungen reichen vorteilhaft nicht aus, um schädliche Längsrisse in dem Piezoaktor zu bilden. Somit kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit eines Piezoaktors erhöht werden, da eine potenzielle Ursache für eine Rissbildung beseitigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich durch Polarisieren desselben in Richtung der Polarisation des piezo-elektrisch aktiven Bereiches mit einer an die Querkontraktion des aktiven Bereiches angepassten Querkontraktion ausgebildet. Vorzugsweise wird eine geeignete elektrische Polarisationsspannung zum Polarisieren des jeweiligen inaktiven Endbereiches an denselben angelegt, wobei sich durch die Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors analog zum aktiven Bereich eine Querkontraktion einstellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden zum Erzeugen der elektrischen Polarisationsspannung für eine Polarisation des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches die Arbeitselektroden des Piezoaktors elektrisch miteinander verbunden und vorzugsweise kurzgeschlossen, wobei eine geeignete elektrische Polarisationsspannung an die Stirnseiten des Piezoaktors angelegt wird.

Vorteilhaft wird der Piezoaktor vor der Polarisation in eine geeignete Vorspanneinrichtung, beispielsweise eine Rohrfeder, eingespannt. In diesem Fall können die Einspannflächen der Vorspanneinrichtung als Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können weitere Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung an den Stirnseiten des Piezoaktors vorgesehen werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich aus einem ferro-elastisch weichen Material ausgebildet. Ein derartiges Material reagiert schnell auf mechanische und/oder elektrische Einwirkungen. Vorteilhaft wird der jeweilige inaktive Endbereich aus einem Material ausgebildet, welches sich in der rhomboedrischen ferroelektrischen Phase des Phasendiagramms befindet. Materialien dieser Zusammensetzung haben eine geringe remanente Polarisation, d. h. sie können sich durch Umschalten der Domänen leicht an mechanische Spannungen anpassen. Somit erfolgt bei einem Kontraktionsunterschied zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen inaktiven Endbereich aufgrund der mechanischen Spannungen ein Umschalten der Domänen in dem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen inaktiven Endbereich, wobei ein derartiges Umschalten und eine somit in Längsrichtung des Piezoaktors erfolgende Polarisation des inaktiven Endbereiches in einer Querkontraktion desselben resultiert. Dadurch werden die Querkontraktionen der beiden Bereiche aneinander angeglichen, sodass sich die mechanischen Spannungen abbauen können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1: eine Vorderansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten Piezoaktors vor einer Polarisation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

2: eine Teilansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten Piezoaktors nach einer Polarisation des piezo-elektrisch aktiven Bereiches gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

3: eine Teilansicht des Piezoaktors aus 2 nach einer Polarisation des piezo-elektrisch aktiven Bereiches sowie des angrenzenden piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

4: eine Teilansicht des Piezoaktors aus 3 im mechanisch kraftbeaufschlagten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

5: eine Teilansicht eines kraftbeaufschlagten Piezoaktors mit einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich, welcher aus einem ferro-elastisch weichen Material besteht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.

1 illustriert eine Vorderansicht eines so genannten Piezo-Stacks 1, d.h. eines Piezoaktors 1, der in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellt und mechanisch mittels einer geeigneten Vorspanneinrichtung für einen elektrischen Betrieb vorgespannt ist.

Der Piezoaktor 1 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 und den aktiven Bereich 2 jeweils an den Stirnseiten abschließenden Endbereichen 3, d.h. aus einem oberen Kopfbereich 3 und einem unteren Fußbereich 3. Der piezo-elektrisch aktive Bereich 2 besteht vorzugsweise aus mehreren piezo-elektrischen Keramikschichten, welche jeweils durch Arbeitselektroden 4 voneinander getrennt bzw. mit Elektrodenschichten einseitig bedruckt sind. Die positiven und negativen Pole der Arbeitselektroden 4 wechseln sich beim normalen Betrieb des Piezoaktors ebenso ab wie die Polarisationsrichtung aufeinander folgender Keramikschichten, um bei einer elektrischen Parallelschaltung der einzelnen zugeordneten Elektroden eine mechanische Reihenschaltung, also eine Addition der Einzelhübe der einzelnen piezo-elektrischen Schichten zu erhalten.

2 illustriert eine Teilansicht eines Piezoaktors 1, dessen piezo-elektrisch aktiver Bereich 2 in Längsrichtung des Piezoaktors 1 durch Anlegen einer geeigneten Polarisierungsspannung UaB an die entsprechenden Arbeitselektroden 4 polarisiert wurde, während der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 sich in einem unpolarisierten Zustand befindet. Dies ist in 2 durch die mit PaB und PEW bezeichneten Pfeile schematisch dargestellt. Aufgrund der Polarisation PaB des aktiven Bereiches 2 erfährt dieser in Längsrichtung des Piezoaktors 1 eine (remanente) Längenausdehnung, wohingegen er in Querrichtung eine Kontraktion erfährt. Aufgrund dieser Querkontraktion besteht im Übergangsbereich 6 zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 ein Unterschied der Querausdehnung der beiden Bereiche 2 und 3, wie in 2 ersichtlich ist. Dieser Ausdehnungsunterschied ist Ursache, wie in der Einleitung ausführlich erläutert, für mechanische Spannungen in dem Übergangsbereich 6, welche letztendlich zu den unerwünschten Rissbildungen führen.

Um den Unterschied der Längenausdehnung zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 zu verringern bzw. auszugleichen, wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 in Richtung der Polarisation PaB des aktiven Bereiches 2 polarisiert, wie in 3 in einer Teilansicht durch das Bezugszeichen PEB illustriert ist.

Zusätzlich zu der an die Arbeitselektroden 4 angelegten Polarisationsspannung UaB wird beispielsweise für eine parallele Polarisation der beiden Bereiche 2 und 3 eine elektrische Polarisationsspannung UEB zwischen der obersten Arbeitselektrode 4 und der Stirnseite des Piezoaktors 1 angelegt, wie in 3 dargestellt ist.

Alternativ zu einer parallelen Polarisation der Bereiche 2 und 3 kann auch eine serielle Polarisation dahingehend erfolgen, dass beispielsweise zunächst eine Polarisationsspannung UaB an die Arbeitselektroden 4 des piezo-elektrisch aktiven Bereiches 2 für eine Polarisation desselben in Längsrichtung angelegt wird, wobei anschließend die Arbeitselektroden 4 miteinander verbunden und vorzugsweise kurzgeschlossen werden, sodass im Folgenden der aktive Bereich 2 keine weitere Polarisation erfährt. Dieser Bereich behält allerdings seine remanente Polarisation bei.

Anschließend wird beispielsweise an die Stirnseite des Piezoaktors 1, d. h. an die freie Stirnfläche des piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches 3 eine geeignete elektrische Polarisationsspannung UEB derart angelegt, dass der inaktive Endbereich 3 ebenfalls eine Polarisation PEB in Längsrichtung des Piezoaktors 1 erfährt, wie in 3 durch den mit PEB bezeichneten Pfeil schematisch angegeben ist. Die Polarisationsspannung UEB beträgt beispielsweise 2 kV/mm, d. h. in etwa 1 kV bei einem 0,5 mm dicken Endbereich 3.

Vorzugsweise erfolgt die Polarisation des Piezoaktors 1 nach einem Einbau desselben in einer geeigneten Vorspanneinrichtung, welche beispielsweise als Rohrfeder ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine geeignete Spannung UEB an die Einspannflächen 5 der Vorspanneinrichtung angelegt werden, wobei diese in diesem Fall die äußeren Polarisationselektroden bilden. Wie oben bereits erwähnt, werden die Arbeitselektroden 4 vorteilhaft miteinander verbunden und kurzgeschlossen, sodass insgesamt zwischen der obersten Arbeitselektrode und der oberen Einspannfläche sowie zwischen der untersten Arbeitselektrode und der unteren Einspannfläche eine geeignete Polarisationsspannung UEB für eine Polarisation PEB des piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches 3 in Längsrichtung des Piezoaktors 1 angelegt ist.

Eine derartige Polarisation PEB des inaktiven Endbereiches 3 bewirkt aufgrund der remanenten Polarisation eine dauerhafte Querkontraktion des inaktiven Endbereiches 3, sodass der Ausdehnungsunterschied aufgrund der remanenten Polarisation zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 verringert wird. Dadurch werden die mechanischen Spannungen zwischen den Bereichen 2 und 3 insbesondere im Übergangsbereich ebenfalls derart reduziert, dass kritische mechanische Spannungen zum Ausbilden von unerwünschten Rissen nicht weiter erreicht werden können. Dadurch werden die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des gesamten Piezoaktors 1 erhöht.

Alternativ oder zusätzlich können auch zusätzliche Polarisationselektroden an die Stirnseiten des Piezoaktors 1 für eine Polarisation des piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches 3 vorgesehen werden. Allerdings ist eine Verwendung der Einspannflächen der Vorspanneinrichtung vorteilhaft, da zusätzliche Komponenten entfallen.

Bei einer Vorspannung und einer mechanischen Kraftbeaufschlagung des Piezoaktors in Längsrichtung über beispielsweise die Rohrfeder, wie in 4 durch den mit F bezeichneten Pfeil schematisch dargestellt ist, werden Domänen insbesondere in dem an die Krafteinwirkung angrenzenden Bereich derart umgeschaltet, dass dieser Bereich vorzugsweise Domänen mit einer Polarisation PEB2 in Querrichtung aufweist, wie in 4 illustriert ist. Somit weist der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 im oberen Bereich im wesentlichen eine Polarisation PEB2 auf, welche sich von einer Polarisation PEB1 in Längsrichtung des Piezoaktors 1 in dem Bereich, welcher an den aktiven Bereich 2 angrenzt, zu einer Polarisation PEB2 in Querrichtung in dem Bereich schrittweise übergeht, welcher an die Einspannfläche 5 der Rohrfeder angrenzt. Aufgrund dieses geringen Polarisationsgradienten können keine größeren mechanischen Spannungen auftreten, sodass Rissbildungen auch im mechanisch beaufschlagten Zustand des Piezoaktors 1 weiterhin verhindert werden können.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für eine Verringerung des remanenten Ausdehnungsunterschiedes zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich 3 letzterer mit einem Material ausgebildet, welches in dem rhomboedrischen Bereich des Phasendiagramms liegt. Derartige ferro-elastisch weiche Materialien besitzen eine äußerst geringe remanente Polarisation, sodass sie sich durch ferro-elastisches Umschalten der Domänen leicht an mechanische und/oder elektrische Einwirkungen anpassen können.

Somit bewirken die mechanischen Spannungen aufgrund von Ausdehnungsunterschieden zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 ein Umschalten der Domänen in dem Bereich des Endbereichs 3, der an den piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 angrenzt. Folglich weist dieser Bereich vornehmlich eine an die Polarisation PaB des aktiven Bereiches 2 angepasste Polarisation PEB1 in Längsrichtung des Piezoaktors 1 auf, wie in 5 schematisch dargestellt ist.

Selbst bei einer mechanischen Krafteinwirkung bei einer Vorspannung in einer Rohrfeder, wie durch den mit F bezeichneten Pfeil in 5 angedeutet ist, ergibt sich immer noch ein Übergangsbereich, in welchem der Polarisationsvektor PEB1 von einer Ausrichtung in Längsrichtung des Piezoaktors 1 nahe dem aktiven Bereich 2 in eine quer ausgerichtete Polarisation PEB2 nahe der Stirnfläche des Piezoaktors 1 übergeht. Somit wird auch in diesem Fall ein geringer Querkontraktionsgradient gewährleistet. Folglich werden wiederum die mechanischen Spannungen aufgrund der remanenten Ausdehnungsunterschiede zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 derart verringert, dass diese nicht weiter für eine schädliche Rissbildung genügen.

Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die oben erläuterten Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können, um insgesamt die Querkontraktion des inaktiven Bereiches an die Querkontraktion des aktiven Bereiches zumindest im Übergangsbereich zwischen diesen beiden Bereichen zu verringern bzw. zu minimieren.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1), mit folgenden Verfahrensschritten:

– Vorsehen eines piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2), welcher bei einer Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors (1) eine Querkontraktion erfährt;

– Vorsehen jeweils eines piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) an einer zugeordneten axialen Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2); und

– Ausbilden des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) mit einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) angepassten Querkontraktion zum Minimieren des Unterschiedes zwischen der Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) und der Querkontraktion des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) durch Polarisieren desselben in Richtung der Polarisation (PaB) des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) mit einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) angepassten Querkontraktion ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereich (3) eine geeignete elektrische Polarisationsspannung (UEB) zum Polarisieren desselben angelegt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der elektrischen Polarisationsspannung (UEB) die Arbeitselektroden (4) des Piezoaktors (1) elektrisch miteinander verbunden, vorzugsweise kurzgeschlossen, werden und die elektrische Polarisationsspannung (UEB) an die Stirnseiten des Piezoaktors (1) angelegt wird. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) vor der Polarisation des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) in eine Vorspanneinrichtung, beispielsweise eine Rohrfeder, eingespannt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannflächen (5) der Vorspanneinrichtung als Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung (UEB) verwendet werden. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Piezoaktors (1) zusätzliche Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung (UEB) vorgesehen werden. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) aus einem ferro-elastisch weichen Material ausgebildet wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) aus einem Material ausgebildet wird, welches sich in der rhomboedrischen Phase des Phasendiagramms befindet. Piezoaktor (1),

mit einem piezo-elektrisch aktiven Bereich (2), welcher bei einer Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors (1) eine Querkontraktion erfährt, und

mit jeweils einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich (3) an einer zugeordneten axialen Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2),

wobei der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) eine an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) angepasste Querkontraktion zum Minimieren des Unterschiedes zwischen der Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) und der Querkontraktion des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) aufweist.
Piezoaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) eine Polarisation (PEB) in Richtung der Polarisation (PaB) des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) zum Bilden einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) angepassten Querkontraktion aufweist. Piezoaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannflächen einer Vorspanneinrichtung als Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Polarisationsspannung (UEB) zum Polarisieren des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) ausgebildet sind. Piezoaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Piezoaktors (1) zusätzliche Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung (UEB) zum Polarisieren des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3) vorgesehen sind. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) aus einem ferro-elastisch weichen Material besteht. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) aus einem Material besteht, welches sich in der rhomboedrischen Phase des Phasendiagramms befindet. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 10–15, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) als monolithischer Vielschicht-Aktor ausgebildet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com